/

22

- 1---------.1

Vi'drios y materiales vitrocerámicos artificiales

de interés gemológico

J. GARCIA GUINEA * Museo Nacional de Ciencias Naturales (CSIC)

e Instituto Gemológico Español. DL Geólogo y Gemólogo,

Resumen

Un total de 22 materiales vitrocerámicos obtenidos a partir de vidrios de sistemas de composición conteniendo Li20 con diversas ad iciones de Mn02' Cr 205 o incluso CdO han sido analizados desde el punto de vista de sus aplicaciones gemológicas. Para ello, después de ser convenientemente tallados y pulidos han sido sometidos a determinaciones de propiedades ópticas: indice de refracción, reflectividad, color, etc. y propiedades mecánicas tales como: dureza y resistencia al desgaste.

a

por

y J. M.a RINCON LOPEZ ** Instituto de Cerámica y Vidrio (CSIC).

D" C. Químicas.

Abstract

The Glass-ceramics obtained from controlled nucleation and crystalllzatíon of glasses could be usad as gems. Therefore, 22 glass-ceramics obtained from Ilthia-g lasses wlth Mn02' Cr223• V20 5 or CdO addltlons have been considered from the gemologic polnt of view. Hence. after cutting and polishlng their optlcal propertles: refractlon indexo reflectivity. colour .... and mecha ni cal properties such as wear resistance and toughness have been determined.

Figura 1. a) Aspecto del material vitrocerámico de Li20-Si02,CII/650/2 tallado en esmeralda b, c y d. Diversas áreas observadas por microscopía óptica de reflexión mostrando cristalizacioneslnucleadas en burbujas (b Y c) Y ejemplares de burbujas (d),

Doletin del InSTITUTQ GEmQLQGICQ ES~~ñQL

GEMSTONE Piedras Preciosas

Rubies, Zaf¡ ros y Esmeraldas

m

J. GARCIA GUINEA/J. M.a RINCON LOPEZ

1. Introducción

Los materiales vitrocerámicos o vitro­cristalinos son materiales compuestos por minúsculos cristales de diámetro comprendido entre 0.1-10 mm aproxima­damente, orientados al azar y embebidos en una matriz vítrea residual. Dichos ma­teriales se obtienen por fusión y moldea­do de un vídrio por los procedimientos ha­bituales en la industria vidriera y some­tiendo posteriormente el vidrio de partida u original a un tratamiento o ciclo térmico de desvitrificación controlada, que com­prende dos etapas: nucleación y creci­miento cristalino (McMillan, 1982).

El aspecto y propiedades de los mate­riales vitrocerámicos depende fundamen­talmente de la composición del vidrio ori­ginal y del tratamiento térmico posterior de cristalización. La mayor parte de los materiales vitrocerámicos obtenidos, pa­tentados o comercializados hasta la fe­cha contienen Li 20, como ejemplo, los de los sistemas de composición: Li 20-Si02,

Li 20-AI20 3-Si02, Li 20-MgO-Si02, Li20-ZnO-Si02 , etc. Existe además la posibili­dad de obtener otros vitrocerámicos en sistemas tales como: MgO-AI20 3-Si02,

CaO-AI 20 3-Si02 • De hecho, muchos vitro­cerámicos pueden obtenerse por fusión y recristalización controlada de muchos mi­nerales y rocas naturales, son los vitroce­rámicos denominados de tipo "petrúrgi­co" o "rocas artificiales" (Garcia Ver­duch, 1980).

Las propiedades especiales de estos materiales intermedios entre el Vidrio y la Cerámica tradicional, los hace útiles en múltiples aplicaciones arquitectónicas, domésticas o tecnológicas Grossman (1982) pero hasta la fecha no existe nin­gún trabajo que considere el posible uso de estos materiales como gemas. Por tanto, se pretende en este trabajo estu-

Rgura ~. Aspecto gelleral de los materiales vltrocerá­mIcos de Li20:l-Si02 nucleados con V~05 y talla­dos en cabujón: a) material CIV/5001480 obtenido a 500.oC y 480 mln. de tratamiento térmico. b) mismo material observado por mlcroscopfa óptIca de re­flexión mostrando grandes áreas cristalizadas (azul oscuro) con áreas de fase vltrea residual (élreas blancas). el material CIV/ 650/ 2 obtenido a 650. oC y 2 h. de tratamiento térmico.

Doletín dellnSTITUTC aEmCLCalCC ESI'~ñCL

diar una serie de materiales vitrocerámi­cos seleccionados de anteriores investi­gaciones Aleixandre et al (1971) Aleixan­dre et al (1975) y determinar en ellos las principales propiedades ópticas y físicas que permitan valorarlos como materiales gemológicos. Este tipo de investigación puede ser de gran interés en Gemología ya que pueden ampliarse las posibilida­des de síntesis de gemas por vía vitroce­rámica, posibilidades que parecen no ha­ber sido exploradas hasta la fecha.

a

23

o • VIDRIOS

2. Materiales

Se han seleccionado un total de 22 vi­drios y vitrocerámicos obtenidos y estu­diados en anteriores trabajos de Aleixan­dre et al (1971, 1975) Y Rincón (1984), así como dos vidrios más de otros auto­res como elemento de comparación Fer­nández Navarro (1985). Los sistemas de composición fundamentales de los vidrios originales que dan lugar a estos materia­les son los siguientes:

Serie C) Li 20-Si02 ; Li20-Si02 con agen­tes nucleantes de la cristalización.

Serie A Y AS) Li 20-CdO-Si02;Li20-Cd02-

Si02 con nucleantes de cristalización.

Series 4 Y 12) Li20-MgO-AI20 3-Si02con Ti02 como nucleante.

Serie N) Cu~-P205-AI203-Si02'

Las tablas siguientes recogen las com­posiciones quimicas de los vidrios de par­tida y por tanto de los materiales vitroce­rámicos, ya que en el proceso de nuclea­ción y cristalización la composción quimi­ca global no varia, cambiando únicamente el estado cristalino. Asi, la Tabla I recoge los contenidos en óxidos de los materia­les de la Serie C.

Los elementos minoritarios V 20 Cr 203 y MnO son añadidos en la compo-

a

b

e . ,,{. 1

. ,'. ¡ .. '-:. ..::. -:" .

~ ..... " .

. . . ~ .. ~!'-t' . . ,¡ .~ :. .... . ... :" , .... .,.. .......

... ~ :~. ¡' o; . ,~ ,

Figura 3. Aspecto de materiales vitrocerámicos de Li20-SI02nucleados con MnO~ al vidrio Original ta­llado en esmeralda, bl mismo material tratado a cabuj6n ovalado y, el material vitrocerámico que se obtiene a 650. oC durante 2 h. a partir del mismo vi­drio (CIMn/60/2) y tallado en cabuj6n ovalado.

TABLA I

Composición de los materiales vitrocerámicos de Li20 - Si02

mol % peso % COMPOSICION

Li20 Si02 V20s Cr20 3 Mn02 Li20 Si02 V20s Cr20 3

CIV 25,74 73,26 0,99 13,61 82,99 3,40 CIMn 25,74 73,26 0,99 13,85 84,49 C I Cr 25,97 73,93 0,099 14.04 85,67 0,29 CII 28,59 71,41 16,00 79,84 C 11 Cr 29,97 69,93 0,099 16,62 83,08 0,30

Mn02

1,66

24 Boletín del InSTITUTO =EmOLO=ICO Es~~ñOL

J. GARCIA GUINEA/J. M.a RINCON LOPEZ

TABLA 11

Composición de los materiales vitrocerámicos de Li2O-CdO-Si02

mol % COMPOSICION

peso %

Li20 CdO Si02 V20 S K20 Li20 CdO Si02 V205 KP

A-2 21,3 14,9 63,8 10 30 60 AB-2 17,5 15,4 65,7 1,0 1,4 8 30 60 2,8 • 2 A-S 25.6 30,0 38,4 10 60 30

• El % mol de nucleante se añade so.bre el 100% de la mezcla sin nucleante por tanto el % peso de cada componente sobre el total es algo menor.

TABLA 111

Composición de los materiales vitrocerámicos de Li20 - MgO - AI203 - Si02 y vidrios y vitrocerámicos de Li20' AI20a - Fe20 3 - P20 5 - Si02 y vidrio de cobre

% peso COMPOSICION

Li20 K20 MgO AI20 3 P20 S Si02 Ti02 CuO

4 2.28 8.06 30.72 54.24 4 .00 12 2.73 7.39 28.16 49.72 12.00 Ma 2 2.75 2.43 34.93 25.20 28.84 0.42 N 1- 1.60 63.30 1.92 N 2-- 9.97 68.24 4.07

• El vidrio N1 contiene ademas aproximadamente: 26% de Na20, S% de BaO y 1.9% de 5n02

•• El vidrio N2 contiene ademas aproximadamente: 1 B% de PbO.

slclon inicial con objeto de que actúen como agentes nucleantes o catalizadores de la cristalización. El papel de estos ele­mentos minoritarios que pueden ser me­tales de elementos de transición, óxidos de elementos de transición (como en este caso) o halogenuros ha sido ampliamente discutido por muchos autores (McMillan, 1982 y Fernández Nuriño, 1985). El caso concreto de la adición de V 20S' MnO o Cr20 3 ha sido ampliamente discutido en otro trabajo de Rincón . Por otra parte, es­tos aditivos añadidos en cantidades mi­noritarias (del orden de 0,1 a 0,3%) susti ­tuyendo isomórficamente fundamental­mente al Al:>'; actúan como cromóforos. Asi, se sabe Webster, (1975) que produ­cen intensas coloraciones rojas o verdes en muchas gemas monocristalinas, tales como el crisoberilo, rubí, esmeralda, pra­síolíta, etc.

Daletín del InSTITUTO aEmOLoalCO E:~~ñOL

La Tabla 11 recoge las composIciones de los materiales vitrocerámicos de las Series 4, 12, Ma y N.

Los vidrios originales o de partida han sido sometidos a tratamientos térmicos en una sola etapa de nucleación y crista­lización en este caso con objeto de sim­plificar el proceso y el estudio comparati­vo de la microestructura y composición mineralógica de los materiales resultan- · tes. Este tipo de ciclo térmico en una eta­pa no suele ser el más adecuado para conseguir una distribución homogénea de cristales de pequeño tamaño y por tanto mejores propiedades mecánicas. Sin em­bargo, desde el punto de vista gemológi­co el desarrollo de grandes cristalizacio­nes con ciclos térmicos sencillos sería más deseable.

Las temperaturas de tratamiento de los vidrios de Li20-Si02 (Tabla 1) han estado

--

Fep3 -1.68

-

25

-------

o • VIDRIOS Y MATERIALES VITROCERAMICOS ARTIFICIALES

26

comprendidas entre 500 y 650 oC con tiempos de 2 a 8 horas. En el caso de los vidrios originales de Li 2-CdO-Si02 (Tabla 11) se han usado tratamientos térmicos entre 500.0 y 700.OC con tiempos de trata­miento entre 1 y 24 horas. Asimismo los vidrios de Li20-MgO-AI20 3-Si02 (Tabla 111) y de composiciones más complejas, como la Ma2, han sido transformados en mate­riales vitrocerámicos por tratamientos tér­micos entre 500.0 y 960.0 C con enfria­miento brusco de los vidrios originales en el caso de los de las series 4 y 12 o con tratamiento de 600.0 C durante 16 horas en el caso del vidrio Ma2. En lo sucesivo

de este artículo se denomina cada mate­rial por su sigla de la serie a la que co­rresponde (Tablas I a 111) seguido por la temperatura y a continuación el tiempo del tratamiento térmico. En el caso de los vidrios de partida en los que se ha estu­diado sus características gemológicas, se ha usado únicamente la denominación de la serie de las Tablas 1, 11 Y 111.

El aspecto externo y la composición de las fases de cada uno de los materiales considerados en este estudio ha sido ya ampliamente investigada por Difracción de Rayos X, Microscopía Electrónica en trabajos precedentes Aleixandre et al

TABLA IV

Composición mineralogica de los materiales vitrocerámicos considerados

MUESTRA ASPECTO MINERALOGIA (DRX)

CIV/500/8 verde. opal amorfo. inmiscibilidad líquida CIV/650/2 verde, opaco, vetas Li20 .Si02 y Li20. 2 Si02 CIMn violeta, transparente amorfo CI Mn/550/1 violeta, opal Li20.Si02 y Li20.2 Si02 CI Mn/650/2 granate, opaco Li20.Si02 y Li2O.2'Si02 CICr verde opaco Li20 2 Si02 y aventurina de Cr20 3

CI Cr/650/2 azul turquesa, opaco Li20.Si02 y Li20.2 SiC CII/650/2 blanco, opaco Li2O.2Si02 CII Cr/550/2 verde, transparente amorfo A2/550/2 blanco, opal, vetas CdO.Si02; Li20.Si02 y Li2O.2,Si02 A2/650/4 blanco, opaco CdO.Si02; Li20.Si02 y Li2 o -2Si02 AB2/500/24 verde, gris, opaco CdO.Si02; Li20.Si02 y Li2O.2Si02

AB2/650/2 azul intenso, opaco CdO.Si02; Li20 .Si02 y Li2O.2'Si02

AB217oo/2 gris, opaco CdO.Si02; Li20 .Si02 y Li2O.2Si02 . CdO.Si02; Li2O.Si02 A5/600/2 marfil, opaco y Li20.2 Si02

4/500 amarillo, transparente amorfo 41700 amarillo, transparente amorfo

4/800 gris, opaco fJ.. - cordierita y f3 espodumena 12 marrón, transparente amorfo 12/500 marrón, transparente amorfo

12/960 azul, añil, opaco fJ.. - cordierita y ~ espodumena Ma2/6oo/16 marrón, transparente

.(j espodumena s-solida superficie reflectantemetalizada

N1 rojo rubi, transparente amorfo

N2 azul, transparente amorfo

Boletin del InSTITUTO aEmOLoalCO Es~~ñOL

J. GARCIA GUINEA/J. M.a RINCON LOPEZ

(1971), Rincón (1984), pero puede es­quematizarse en la Tabla IV.

Cada uno de estos materiales han sido tallados, pulidos y preparados para reali­zar los siguientes ensayos gemológicos.

El peso específico se ha medido utili­zando una balanza hidrostática Penfiel. Se han efectuado comprobaciones de las medidas usando diferentes diluciones de bromoformo ajustadas con patrones sóli­dos.

Las medidas del indice de refracción han sido determinadas mediante refractó metros Topcon y Rayner con haz monocromático de luz de sodio.

El poder reflector o reflectancia de las muestras ha sido medido en un microsco­pio Leitz con un objetivo 20x0.40 utilizando un reflectómetro Leitz con patrón N61 de reflectividad 4.4 operando con una longi­tud de onda de 542Á.

La microdureza se ha medido en un mi­crodurómetro Vickers Instruments con un objetivo 04943 de 160 mm tipo Micro In­denter realizando las indentaciones bajo una carga de 10 s. y calculando la longi­tud de la huella con un ocular reticulado Zeiss Kpl 12.5xW PoI. Se han expresado en este caso las medidas de microdureza indicando simplemente las dimensiones

TABLA V

Propiedades físicas de materiales vitrocerámicos de Li20 - Si02

MATERIAL Peso especifico Indice de Refracción Reflectancia Microdureza p no R 1 x 1

CII/650/2 2,33 1,510 4,5

CIV/500/480 2,22 5,4 CIV/650/2 2,27 1,535 6,6

CIMn 2,33 1,523 4,5 CI Mn/550/1 2,43 1,529 4,4 20x 29 CI Mn/650/2 2,40 3,5

CI Cr/650/2 2,27 1,535 4,5 15 x 17 CII Cr/550/2 2,18 1,525 3,9 CICr1 2,41 4,2

TABLA VI

Propiedades fisicas de materiales vitrocerámicos de Li20 - CdO - Si02

MATERIALES

A-2/550/2 A-2/650/4 A-5/90/VC-14 AB-2/500/24 AB-2/650/2 AB-2/700/2

Peso específico

p

3,16 3,56 3,79 3,24 3,00 3,25

Boletín dellnSTlTUTC QEmCLCQICC U~~ñCL

Indice de Refracción

no

1,598

Reflectancia Microdureza

R 1 x 1

5,9 13 x 13 12,2 9,6 8,0 7,3 9,3

27

28

VIDRIOS Y MATERIALES VITROCERAMICOS ARTIFICIALES

(1 x1) de la grieta producida. Así pues, en este caso las medidas expresadas en las Tablas V, VI Y VII tienen sólo un sentido relativo dentro de este trabajo. La diferen­te respuesta a estimulos luminosos (radi­aciones de 3650Á y 2537 Á) se ha obte­nido con lámparas ultravioletas Allen.

a

b

e

Figura 4. Aspecto de materiales vitrocerámicos de Li20-Si02 nucleados con 0.11 Cr20 3: a) material vitrocerámico tallado en esmeralda y obtenido por tratamiento térmico a 550. oC durante 2 horas (CIICrI55012). b) material obtenido a 650. oC duran­te 2 horas (CICrI65012) y tallado en cabujón ovala­do y e) vitrocerámlco obtenido con 1% peso de Cr20 3 y tallado en cabujón.

3. Métodos

Los métodos utilizados para caracteri­zar como gemas los vidrios y materiales vitrocerámicos aquí considerados han sido los habituales, a saber: Primero, en­sayos de talla para ver cómo responden estos materiales a su mecanizado y puli­do y segundo, ensayos físicos de dos ti­pos: ópticos y de propiedades tecnológi­cas.

Las muestras han sido recortadas en preformas con cortadora de disco de dia­mante, Diamant Boart 20106, que luego han sido talladas en formas de cabujón ovalado, en navecilla o esmeralda en es­calera según los casos. Las muestras en cabujón se han tallado en máquinas High­land-Park con muelas de carburo de sili­cio y las facetadas en mesas artesanales tipo francesa sobre discos horizontales de acero adimantinado y máquinas Ema­hashi también en muelas horizontales con diamante. Los pulidos finales se han lle­vado a cabo en las mismas máquinas con discos de fieltro utilizando óxido de cerio.

Una vez preparados los vidrios y mate­riales vitrocerámicos como gemas se ha llevado su fotografía a pocos aumentos (objetivo: X20) en un microscopio binocu­lar Leitz y en observación por microscopía óptica de reflexión en un microcopio Leitz, estudiándose el comportamiento de los planos de vibración de la luz con un pola­riscopio Rayner y Krauss luminosa. Todas estas gemas artificiales presentan eleva­dos niveles de isotropia óptica. Asimismo, se han determinado las siguientes pro­piedades físicas: peso específico, índice de refracción, reflectancia, fluorescencia a diversos estímulos luminosos y micro­dureza.

4. Resultados y Discusión

Los materiales vitrocerámicos aquí in­vestigados como posibles gemas artificia­les se han clasificado básicamente en tres grupos según sus principales compo­nentes y con objeto de facilitar la exposi­ción de resultados y discusión de las me­didas realizadas, a saber:

Boletín del' It'lSTITUTQ SEmOLOSICO U,,~ñQL

J. GARCIA GUINEA/J. M.a RINCON LO PEZ

Figura 5, Materiales vitrocerámlcos de Li~...o-CdO-Si02 tallados en cabujón ovalado y obtenidos por di­versos tratamientos térmicos: a) a 55. oc durante 2 horas (A-2/550/2J. b) microfotograffa optlca mos­trando cristalizaciones en rosetones de silicatos de cambio en el material anterior. e) a 650. oC duran­te 4 horas (A-2/650/4), d) material vitrocerámico obtenido con un ciclo de tratamiento térmico de nu­cleación y cristalización en dos etapas (A-5/90/VC-14).

- Materiales vitrocerámicos del siste­ma: Li20-Si02

- Materiales vitrocerámicos del siste­ma: Li20-CdO-Si02.

- Materiales vitrocerámicos de los sis-temas: Li20-MgO-AI20 3-Si02 y Li20-P 205-AI203-Si02'

4. 1. Materiales vitrocerámicos del siste­ma de composición Li20-Si02

Las figuras 1 a 4 muestran el aspecto de las gemas artificiales obtenidas a par­tir de vidrios y materiales vitrocerámicos de Li20-Si02 sin aditivos (Figs. 1 a-d) y con aditivos de V 205 (Figs. 2a y b), Mn02 (Fig. 3) Y CP3 (Fig. 4) añadidos como agen­(1984). Se puede ver en la figura 1 que el material sin agente nucleante de la cris­talización es transparente incluso habien­do sido sometido a un tratamiento térmico de 650.oC durante 2 horas, presentando

Boletin dellnSTITUTQ aEmQ~QaICQ ES~~ñQ~

una gran cantidad de burbujas. Obser­vando su superficie a mayores aumentos en un microscopio óptico de reflexión se ven cristalizaciones radiales de silicatos de litio Rincón (1984) iniciándose en las interfases burbuja-aire.

Cuando se añade V 205 como agente nucleante de la cristalización se obtienen materiales opacos que han sido tallados en cabujón de color azul e incluso con bandas de colores verdes y blancos con tratamientos térmicos semejantes al an­terior (650.oC durante 2 horas) (Fig. 2c)' o incluso con tratamiento a menor tempe­ratura (500.oC durante 8 horas) (Figs. 2a y b) . Si se observa por microscopía de reflexión el material de la figura 2a se vé que aunque el material es opaco y funda­mentalmente cristalino presenta grandes áreas de vidrio residual dando lugar a la combinación de colores y figuras de cra­queado en su superficie.

Con la adición Mn02 se producen efec­tos parecidos en intervalos de tratamien-

29

30

•

VIDRIOS Y MATERIALES VITROCERAMICOS ARTIFICIALES

a

Figura 6. Materiales vitrocerámicos tallados en cabuj6n ovalado obtenidos a partir de vidrios de Li20-CdO-SIO;z con VZOlj alfadido como agente nucleante de la crlst,llizaci6n: a) tratamiento térmico a 500.oC durante 24 hora., b) tratamiento de 650.oC durante 2 horas, e) tratamiento de 700. oC duran­te 2 horas y, d) geoda de cristales de disilicato de litio en la gema artificial anterior.

to térmico semejantes a los de los vidrios anteriores como puede verse en las figu­ras a, c. El vidrio de partida se ha lapida­do en talla esmeralda mientras que los vi­drios tratados térmicamente se han talla­do en cabujón. Cuando se añade Cr20 3

se produce un retardo en la cristalización para los mismos tratamientos térmicos (Figs. 4a, c), obteniéndose colores desde verde claro, verde esmeralda y verde os­curo.

La Tabla V recoge las principales pro­piedades gemológicas determinadas en los materiales vitrocerámicos de Li2-Si02. Los valores de densidad están en el inter­valo 2.18-2.43; el índice de refracción en­tre 1.510 Y 1.535 (valores ligeramente in­feriores a los del cuarzo), la Reflectancia tiene grandes variaciones, entre 3.5 que presenta el material vitrocerámico con Mn02 y tratado a 650:oC durante 2 horas y su valor máximo de 6.6.oC del material homólogo pero con V 205 añadido.

4. 2. Materiales vitrocerámicos del siste­ma de composición Li20-CdO-Si02

Las figuras 5a, d y 6a, muestran el as­pecto de las gemas artificiales obtenidas a partir de materiales y vitrocerámicos del sistema Li20-CdO-Si02 tallados en cabu­jón. Las fotografias de las figuras 5a, c y d corresponden a varios vitrocerámicos de este sistema que se han formulado sin aditivos o agentes nucleantes de la cris­talización. La figura 5a es un vidrio trans­parente incoloro con bandas que obser­vado a mayores aumentos (Fig. 5 b) pre­senta cristalizaciones de silicatos de cad­mio con formas estrelladas. El mismo ma­terial tratado térmicamente a 650.oC du­rante 4 horas da lugar a una gema opaca de color blanco semejante a una porcela­na (Fig. 5 c). Se puede llegar a obtener una gema opaca de color marfil si el vidrio original (A-5) (60% CdO) contiene mayor proporción de óxido de cadmio (Figs 5 d).

.., .. -----~-------------~~-~---~~-----_.- . ---'''-

J. GARCIA GUINEA/J. M.a RINCON LOPEZ

a

e

Cuando a los vidrios originales de com­posición A-2 (30% CdO) se les añade V 205 como agente nucleante de la crista­lización se obtienen materiales gemológi­cos de color azul claro con diversos efec­tos superficiales producidos por las cris­falizaciones generadas por tratamientos térmicos, Así, las figuras 6 a, c muestran la secuencia de gemas que pueden obte­nerse con el mismo material de partida con tratamientos térmicos de 500,0, 650.0 Y 700.oC. La gema obtenida a mayor tem­peratura muestra una geoda en el centro (Fig. 6 c) que a mayores aumentos pre­senta cristalizaciones aciculares de disili­cato de liti() .... que han sido caracterizados

Doletin dellnSTITUTC QEmCLCQICC E:~~ñCL

Figura 7. Aspecto de los materiales vitrocerámicos de LI20 -MgO-AI20 3-SI02 con adición del 4% peso de TlO~ a) material obtenido a 500.oC durante 2 horas y enfriamiento brusco tallado en esmeralda, b) material obtenido a 700.oC durante 2 horas y con enfriamiento brusco ta/lado en navecilla y, e) material tallado en cabujón ovalado obtenido a BOO.oC y enfriamiento lento.

previamente por difracción de rayos X en Aleixandre et al (1975).

La Tabla VI recoge las principales pro­piedades gemológicas medidas en este tipo de materiales. Los valores del peso específico están comprendidos entre 3.00 y 3.79 siendo notablemente más altos que en los materiales de Li20-Si02 debi­dos a la incorporación de oxido de cad­mio en su composición. Sólo se ha pOdido determinar el índice de refracción en la gema A-2/550/2 por ser la única transpa­rente de esta serie. Este valor es también superior debido a la incorporación de CdO. Los valores de reflectancia son re­lativamente elevados en estos materiales (entre 5.9 y 12.2) obteniéndose el valor más alto en la gema de color marfil co­rrespondiente a la figura 5 d.

4. 3. Materiales vitrocerámicos de los sis­temas de composición Li20 - MgO-AI20 -Si02 y Li20 - P20 5 - AI20 3-Si02

Las figuras 7 a, c muestran el aspecto de las gemas sintéticas talladas en es­meralda, navecilla y cabujón ovalado ob­tenidas a partir de materiales vitocerámi­cos del sistema Li20-MgO-AI20 3-Si02 con 5% Ti02 añadido como agente nu­cleante de la cristalización. Las figuras 8 a, c muestran las gemas artificiales obte­nidas a partir de materiales de la misma composición pero con la adición de un 12% de Ti02. La desvitrificación o cristali­zación total de los vidrios de partida no se logra en este caso hasta elevadas tempe­raturas del orden de 800.oC. Las gemas de la figura 8 a y b son amarillas debido a su contenido en Ti02 y la gema de la figu­ra 7 c es opaca debido a la presencia ma­siva de cristalizaciones de fi-espodumena (Li20-AI20 3.4Si02) y,u.-cordierita (2MgO. 2 AIP35Si02) tal y como ha quedado demos­trado en García Verduch (1980). Las gemas obtenidas con el 12% de Ti02 son marrón os-

31

~ VIDRIOS Y MATERIALES VITROCERAMICOS ARTIFICIALES

32

curo o "ahumado" si son transparentes (Fig. 8 a y b) Y de color negro si es opaca, como en el caso del material obtenido por tratamiento térmico a 960.oC (Fig. 8 c).

La figura 9 presenta el aspecto del ta­llado en cabujón ovalado de un material vitrocerámico obtenido a partir de un vi-

a drio de moscovita-ambiligonita investiga-

b

e

Figura 8. Mllterlales '1ltroc~rámicos de 0202 con adI­ción el 12% peso de TiOi a) vidrio original tallado en cabujón ovalado, b) vIdrio tallado en navecilla y tratado a 500.oC durante 2 horas con un posterior enfriamiento brusco y e) mismo vidrio tratado tér­micamente a 960.oC, enfriado bruscamente y talla­do en cabujón ovalado.

Figura 9. Aspecto general del material '1itrocerámico Ma2/600/16 tallado en cabujón obtenido a partir de mezclas de mosco'llta-amblfgonita y tratado tér­micamente a 600. oC durante 16 horas.

do por Rincón en Callejas et al (1985). Este material contiene una superficie re­flectante de aspecto metálico con un efecto aventurina muy homogéneo, pero el pulido ha removido dicha capa reflec­tante. Este efecto parece ser que es debi­do a la precipitación de finísimos cristales de hematites en solución sólida con cris­tales de espodumena y ha sido estudiada con detalle recientemente en Rincón and Callejas (1988). Las figuras 10 a y b muestran dos vidrios transparenté de cobre azul y rojo respectivamente inclui­dos en este trabajo como referencia de vidrios que podrían tener también aplica­ciones gemológicas.

La Tabla VII recoge las propiedades ge­mológicas de los materiales vitrocerámi­cos del sistema de composición Lip-MgO­AI 20 3-Si02, del material vitrocerámico ob­tenido a partir de moscovita-ambliognita y de dos vidrios transparentes de cobre

Doletin dellnSTITUTCI aEmClLClalCCI Es~~ñClL

J. GARCIA GUINEA/J. M.a RINCON LOPEZ o •

obtenidos como materiales de referencia en los sistemas Nap-K20-PbO-Si02 y P20 S-

BaO-CuO. El peso especifico de los vitro­cerámicos de Li 20-MgO-AI20 3-Si02 es del orden de los de Up-Si02 con valores en el intervalo 2.44 - 2.71.

Se observa además, que aumenta lige­ramente el peso especifico al aumentar la cristalización del material lo que se suele corresponder con un aumento dé la tem­peratura del tratamiento térmico Garcia Verduch (1980) . El índice de refracción varia entre 1 .556 Y 1605, representando va­lores más altos las gemas que contienen más Ti02 (12% peso). La reflectividad no sigue una variación regular con el trata­miento térmico o la composición, estando sus valores comprendidos entre 5.2 y 6.0.

Respecto al material vitrocerámico ob­tenido a partir de moscovita y ambligonita su peso específico es el más elevado de los materiales gemológicos aquí consi­derados, asi como su reflectividad, inclu­so mejor que la de los materiales que contienen oxido de cadmio. Los valores tan altos de estas propiedades son debi­dos posiblemente a la razón antes apun­tada de la formación de una solución sóli­da de hematites fi-espodumena y al rela­tivamente alto contenido en Fe20 3 de este material. A partir de los resultados de las Tablas V, VI Y VII se han situado los vi­drios aquí investigados como imitación de

a

b

Figura 10. Aspecto de vidrios de cobre tallado en es­meralda (a) rojo rubf} y en navecilla (b) azul de co­bre}.

TABLA VII

Propiedades físicas de materiales vitrocerámicos de Li20-MgO-AI20 3-5i02. : Li20 y de vidrios conteniendo cobre

Peso MATERIAL específico Indice de Refracción Reflectancia Microdureza

p nD R 1 x 1

4/500/0 2,44 1,556 5,5 . 4/700/0 2,48 1,559 5,3 4/800/5 2,47 6,0 120 x 90 12 original 2,62 5,2 130 x 110 12/500/0 2,65 1,600 5,8 12/960/0 2,71 1,605 5,4 130 x 160

Ma2/600/16 3,89 12,3

Vidrio azul Cu 2,98 1,566 4,4 Vidrio rubf Cu 2,90 1,548 4,7

Boletín del InSTITUTO SEmOLOSICO ES~~ñOL 33

o

V VIDRIOS Y MATERIALES VITROCERAMICOS ARTIFICIALES

34

Peso específico 2·21 2·3 2·4 2'5 2'6 2'7 2·8 2·9

3·0

o

'& o

1-44 1·50 1·55 1'60 1'65 1-70 1-75

Vidrios de CUO; PeOa; Ale 05 Y SiOe

Figura 11. Diagrama de correlación de Bannister Webster entre el índice de refrac­ción y el peso específico con la situación en el mismo de los vidrios y materiales vitrocerámicos aquí investigados como gemas artificiales.

gemas en la gráfica de Bannister Webster (1975) de la figura 11. En esta gráfica se representa el indice de refracción frente al peso especifico que da lugar a áreas de correlación que permiten comparar las propiedades de los diversos tipos de vi­drio entre sí. Asi, los materiales vitrocerá­micos de Li 20-Si02 sin o con agentes nu­cleantes se sitúan como los de Lip-MgO­A20 3-Si02 en la zona más alta del diagra­ma muy alejados de vidrios naturales como

los de obsidiana o comerciales como los de borosilicato de calcio. Sin embargo, los vitrocerámicos de Li 20, CdO y Si02 se sitúan en la zona próxima e incluso sola­pada con los vidrios de plomo o de bario, por lo que pueden cumplir funciones simi­lares a los mismos.

Respecto a las medidas de microdureza éstas sólo se han podido llevar a cabo en algunas de las gemas aqui obtenidas de­bido a la dificultad de medir la longitud de

Bcletin del InSTITUTO aEmOLoalCO Es~~ñOL

•

J. GARCIA GUINEA/J. M.a RINCON LOPEZ

la huella en los materiales muy cristaliza­dos. Se expresa de manera relativa indi­cando sus dimensiones (1 x 1) obtenidas en el ocular reticulado utilizado. En princi­pio (Tablas V, VI Y VII) puede decirse que entre los materiales aqui investigados la microdureza de las gemas de Li20-CdO­Si02 es la más elevada, asi como la de los materiales de Li20-Si02 con adición de Cr 203 y Mn0 2 • La microdureza relativa de los materiales de Li20 -MgO-AI20 3-Si02 es más baja. Dado que las medidas aquí realizadas son insufiencientes, en una próxima publicación se expondrán las determinaciones de microdureza Vi­kers (VH) y factor critico de intesidad de tensiones o tenacidad (Kd de estos ma­teriales tal y como se han llevado a cabo en Rincón y Capel (1985) en vitrocerámi­cos de Li 20-Si02 sin aditivos.

4 . 4. Efecto de la radiación U. V. sobre ge­mas artificiales de materiales vitrocerámi­cos

Por último, se ha investigado el efecto de radiaciones de longitudes de onda: A= 2536Á Y 3650Á respectivamente sobre los vidrios originales y materiales vitroce­rámicos de Li 20-Si02 , Li20-CdO-Si02,

Li;p-MgO-A20 a-Si02 y de los de cobre to­mados como referencia, observándose una respuesta nula en casi todos los materiales 'aquí estudiados. No obstante, se indica en las síguientes tablas VII y IX la respuesta la radiación U.V. obtenida en cada una de estas gemas artificiales.

Es necesario indicar que estos materia­les son sólo una muestra de las posibili­dades que tienen los materiales vitroce­rámicos de ser usados como imitación de gemas por su versatilidad de composición y de obtención de diversos aspectos por' tratamientos térmicos de nucleación y cristalización. Es obvio que las propieda­des gemológicas de los materiales aqui mostrados no son las mejores, pero po­drian optimizarse con aditivos tales como Zr02 que mejora notablemente la micro­dureza, óxidos de tierras raras que mejo­ran el índice de refracción o cuidando al máximo los procesos de fusión y trata­miento térmico.

Boletín dellnSTITUTC aEmCLCalCQ ES~~ñQL

TABLA VIII

Efecto de las radiaciones U.V. sobre gemas artificiales de materiales vitrocerámicos de Li20 2 y Li20-Si02 y Li20-

MgO-AI20 a-Si02

MATERIAL 2536 A 3650 A

CIV/500/480 Azul claro Inerte con puntos amarillos

CIV/650/2 Amarillo oscuro débil

CIMn Inerte a violeta débil Marrón débil CI Mn/550/1 Violeta débil CICr1 Violet oscuro débil 4/500/0 Amarilló débil 4/700/0 Amarillo fuerte

TABLA IX

Efecto de las radiaciones U.V. sobre gemas artificiales de materiales vitrocerámicos de Li20 - CdO - Si02

MATERIAL 2536 A

A-2/550/2 Azul débil A-2/650/4 Rosa AB-2/500/24 AB-2/650/2 AB-2/700/2 A-5/90IVC-14 Violeta

Vidrio azul deCu

Vidrio rojo deCu

Azul verde

Naranja

3650 A

Inerte y puntos azules Amarillo Amarillo Amarillo

Naranja

35

VIDRIOS Y MATERIALES VITROCERAMICOS ARTIFICIALES

5. Conclusión

Se puede concluir a la vista de esta in­vestigación que a partir de los vidrios y materiales vitrocerámicos de los sistemas Up-Si02' Lip-CdO-Si02, Li20-MgO-AIPa­Si02, Li20-AI20a-Fe20a-P 20s-Si02' consi­derados como gemas artificiales se pue­den obtener una gama muy amplia de ge­mas usando el proceso vitrocerámico co­mo via de sintesis de las mismas. Esta po­sibilidad no ha sido planteada previamen­te en la bibliografia sobre materiales vitro­cerámicos, más bien centrada en las apli­caciones tecnológicas de los mismos. El peso especifico de estos materiales au­menta en el orden de composición:

vidrios de cobre Li20-Si02 Li20-MgO-AI20 a-Si02 Li20-CdO-Si02

En el caso de los materiales vitrocerá­micos que contienen CdO hay un claro in­cremento del peso especifico con la tem­peratura y tiempo de tratamiento térmico. Los valores más elevados de indice de re­fracción se obtienen en los de Li20-MgO-

AI20 a-Si02 conteniendo un 12% de Ti02 y en los que continen CdO. Asimismo, el poder reflector sigue el mismo orden de variación que el del peso específico, ob­teniéndose los valores más altos para los del sistema Li20-CdO-Si02. Un material vitrocerámico obtenido a partir de vidrios de moscovita-ambligonita da lugar al mayor valor de reflectancia obtenido en los materiales aqui investigados. Se abre, pues, una nueva posibilidad y un nuevo campo de investigación para los materia­les vitrocerámicos no planteada hasta la fecha: su uso como imitaciones de gemas o gemas artificiales.

6. Agradecimientos

Se agradece a D. Pio Callejas Gómez su colaboración en la preparación de los materiales vitrocerámicos, a la Dra. Lunar Hernández por las pruebas de microdure­za Vickers a los Drs Maroto y Guijarro por su ayuda en mediciones de reflectividad y a D.J.L. Casaseca por los trabajos de me­canografia.

BIBLlOGRAFIA

ALEIXANDRE, V., GONZALEZ, J.M. y RINCON, J.M. (1971). "Cristalización en algunos vidrios del sistema Li20-MgO-AIPa-Si02' observada fundamentalmente por mi­croscopía electrónica». Bol. Soco Esp. Cerám. Vidr. 10.341-365.

ALEIXANDRE, V., GONZALEZ, J. M. Y RINCON J. M. (1975). "Estudio de la cristalización en algunos vidrios del sistema Li20-CdO-Si02», Bol. Soco Esp. Cerám. Vidr. 14. 233-243.

CALLEJAS, P., BARBA, M. F. and RINCON, J. M. (1985). "The effect of Ti02, Zr02 and MgO addition on the crys­tallization of glasses obtained from muscovite and am­blygonite». J. Mat. Sci. Letters 4, 1171-1173.

FERNANDEZ NAVARRO, J. M. (1985). "El Vidrio. Consti­tución. Fabricación y Propiedades». Ed. C.S.I.C. Institu­to de Cerámica y Vidrio. Madrid.

GARCIA VERDUCH, A. (1980). "Materiales obtenidos a partir de rocas y escorias fundidas». Jornadas Científi­cas sobre Cerámica y Vidrio. Edita Univ. de Oviedo.

GROSSMAN, D. G. (1982). "Glass-Ceramics aplication en nucleation and crystallization in Glasses». Serie Ad­van ces in Ceramics. Volumen 4. Edita. Am. Ser. Son., Columbus,. Ohio. Págs. 249-260.

36

MC-MILLAN, P. W (1982). "Glass-Ceramics». Ed. Acade­mic Press. Londres.

RINCON, J. M. (1984). "Estudio de nuevos vidrios y ma­teriales vitrocristalinos del sistema Li20-CdO-Si02 con posible utilidad en la industria nuclear». Ed. Univ. Com­plutense de Madrid. Tesis 149/84.

RINCON, J. M. (1984). " Efecto del V20 S y MnO sobre la cinética de separación de fases liquido-liquido de un vi­drio de Ll20 -Si02 determinada por MET», Jornadas Cientificas sobre Céramica y Vidrio. Ed. Univ. de Barce­lona. págs. 133-153.

RINCON, J. M. AND CALLEJAS, P. (1988). «Microanaly­sis of the surface in glass-ceramics obtained from mus­covite-amblygonite». J. Mat. Sci. aceptado para publi­cación en 1988.

RINCON, J. M. and CAP EL, F. (1985). "Microindentation Behaviour K,c factor determination and microstructure analyses of some Li20-Si02 glass-ceramic materials». Ceramics international 11. 97 -102.

WEBSTER, R., GENUS, F. G. A. (1975) "Gems». Ed, Nux­nes Butterworths. London.

Boletín del InSTITUTO QEmOLOQICO ES~~ñOL